功率半导体TED-MOS将助力电动汽车迎来节能新时代

图片来源：日立

今日，日立公司宣布采用新一代碳化硅（SiC）材料开发新型高效节能的功率半导体器件TED-MOS，有助于电动汽车（EV）节省能源。 该功率半导体结合传统DMOS-FET（SiC晶体管）以及具有沟槽鳍结构的MOSFET半导体的优点。 与传统的DMOS-FET相比，使用这种新设备，可以节能达到50％，电场强度（耐久性指数）降低了40％，电阻降低了25％。 日立计划将此设备应用于电动机驱动逆变器，作为EV的核心部件，可提高能效。 此外，该技术不仅应用于电动汽车中，而且还会在社会基础设施系统中使用，比如电气传感器中。日立希望为减少全球变暖和实现低碳社会做出贡献。

随着全球能源需求的预期增长，以及可持续发展目标和COP21等倡议，日立公司正在制定减少环境负荷的目标，实现可持续发展。 由于预计电动汽车的采用率也将大幅提升，因此降低电动汽车的功耗被认为是至关重要的。因此，使用SiC半导体材料作为功率半导体可以为逆变器提供显着的节能特性，这引起了研究人员的广泛关注。 然而，一个问题是，在SiC功率半导体中，与硅（Si）器件不同的是，其电阻会随着晶面变化而变化。 尽管已经提出沟槽SiC MOSFET结构（图1（2）），与传统的DMOS-FET（图1（1）），可以在较低的电阻下促进晶面上的电流流动。 但是，由于电场容易集中在基面上的沟槽边缘，因此难以同时实现高耐久性。

为了应对这一挑战，日立改进原始的鳍片结构DMOS-FET，通过增加沟槽制备出新的半导体材料-“TED-MOS”。随后，在较高的电压（3.3 kV）工业应用中，通过较小的沟槽间距和较低的电场实现了电阻的降低和高耐久性 ，并于2018年5月在美国芝加哥举行的功率半导体器件和IC（ISPSD）国际研讨会上介绍了这些成果。

实验表明，增强EV逆变器的“TED-MOS”，在较低的电压（1.2 kV）下需要更高的电流密度（图1（3））。 场弛豫层（FRL）可广泛地降低电场强度，其中用于缓和施加电压的PN结在器件结构的中心形成。 此外，“电流扩散层（CSL）”能够降低n-JFET区域中的电阻，其用于形成连接鳍状沟槽的侧面的电流路径作为低电阻晶面和 n-JFET区域。 结果表明，“TED-MOS”同时在SiC功率半导体中实现了更小的电场强度和更低的电阻。

使用原型设备验证了该技术开发的好处。 结果发现，与传统的DMOS-FET相比，“TED-MOS”将电场强度降低了40％，电阻降低了25％，同时保持了EV中电机驱动所需的额定电压1.2kV。 此外，上述改进的器件结构还改善了功率半导体的导通/截止之间的切换速度，该切换操作引起的电流的能量损失也减少了50％。

展望未来，日立将通过将该技术应用于各种电子传感器，不仅在电动汽车中，而且在各种社会基础设施系统中，为防止全球变暖和实现低碳社会做出贡献。

原文来自：phys，原文题目：Highly durable silicon carbide (SiC) power semiconductor TED-MOS for energy saving in electric vehicle motors，由科技在线团队汇总整理。